Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для идентификации алмаза

Предлагаемое изобретение относится к области исследования природных и синтетических алмазов и может использоваться для выявления и отделения природных алмазов от алмазных симуляций, а также для отделения природных алмазов от синтетических или природных алмазов, подвергнутых термобарической обработке с целью улучшения цвета.

Актуальность создания устройства для идентификации алмаза, в том числе с бриллиантовой огранкой, обусловлена увеличением частоты появления на рынке бриллиантов, изготовленных из синтетических алмазов ювелирного качества, а также из алмазов, подвергнутых термобарической обработки с целью улучшения цветовых характеристик.

Известен способ и устройство для осуществления проверки драгоценных камней (патент RU 2267774, публ. 10.01.2006, МПК G01N 21/87), устройство содержит теплоизолированный контейнер для размещения драгоценного камня, имеющего окно, средство для охлаждения контейнера, использующего жидкий азот, крышку для контейнера, лазер для облучения указанного драгоценного камня через окно, спектрометр для обнаружения через указанное окно спектров фотолюминесценции, излучаемых драгоценным камнем и выдачи на своем выходе соответствующих сигналов спектральных данных, блокирующий фильтр между указанным окном и спектрометром для фильтрации излучения на длине волны облучающего излучения, процессор, соединенный с выходом спектрометра, дисплей, соединенный с процессором, для отображения информации, касающейся драгоценного камня, и опорную конструкцию, причем указанный драгоценный камень размещают непосредственно в жидкий азот, окно выполнено в основании указанного контейнера, вблизи которого размещена грань драгоценного камня, а указанная опорная структура обеспечивает установку вышеупомянутых составных частей, образуя автономное устройство, при этом указанный лазер и спектрометр соединены с указанным окном. Устройство позволяет определять является ли полированный драгоценный камень природным алмазом, который не подвергался обработке облучением и не подвергался обработке под высоким давлением и при высокой температуре.

Недостатками устройства является недостаточно высокая точность при идентификации синтетических аналогов алмаза (бриллианта) и невозможность диагностики ограненных алмазов в ювелирных изделиях.

Известно устройство для сортировки алмазов (патент RU 2372607, МПК G01N 21/87, В07С 5/34, приоритет от 12.02.2008), использующее ультрафиолетовое излучение для тестирования и отбора природных алмазов, относящихся к типам IIа, IIb и Ib. Устройство для сортировки содержит источник ультрафиолетового излучения, тестируемый кристалл алмаза, детектор излучения, преобразующий усилитель и средство индикации интенсивности прошедшего через кристалл алмаза излучения. В качестве источника ультрафиолетового излучения устройство содержит светодиод ультрафиолетового диапазона с пиком излучения в пределах длин волн от 240 до 300 нм, а в качестве детектора излучения содержит фотодиод с повышенной спектральной чувствительностью в коротковолновой области ультрафиолета, светодиод ультрафиолетового диапазона помещен в держатель со столиком, в котором выполнено центральное отверстие для пропускания направленного излучения от светодиода к тестируемому кристаллу алмаза, который размещен на столике. Электрический сигнал от фотодиода подают на преобразующий усилитель и далее на средство индексации, фиксирующего пороговый уровень интенсивности проходящего через кристалл алмаза излучения. Фотодиод помещают в держателе с возможностью изменения его положения над ограненным кристаллом алмаза и детектирования преломленных лучей излучения. Для тестирования кристаллов алмаза округлой формы, фотодиод, помещенный в держатель закрепляют в съемном колпаке. Преобразующий усилитель снабжен параллельным выходом для подключения измерителя непрерывной цифровой индикации сигнала при настройке и калибровке устройства. Устройство предназначено для работы с алмазами.

Это устройство не позволяет определить, что исследуемый образец является алмазом или его симулянтом и отделить природные алмазы от синтетических.

Известно устройство (патент US 5883389, публ. 16.03.1999, МПК G01N 21/87, G01N 21/87), которое позволяет исследовать и отделить природный алмаз от синтетического путем облучения поверхности алмаза ультрафиолетовым излучением с длиной волны 225 нм и наблюдать люминесценцию и/или фосфоресценцию. Устройство для облучения алмаза ультрафиолетовым излучением соединено с блоком питания и фокусируется ультрафиолетовыми кварцевыми линзами, между которыми размещен фильтр, а после линз на пути прохождения света установлен затвор для быстрого прекращения облучения. Ограненный алмаз (бриллиант) помещен в держатель с ручкой для манипулирования алмазом. Для направления света на кристалл алмаза размещено зеркало и фильтр, передающий излучения с длинами волн в диапазоне 225-380 нм.

Недостатком этого устройства является ограниченность его применения в классификации алмазов.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство, описанное в патенте «Измерение параметров обработанных драгоценных камней» (патент GB №2516297, МПК G01N 21/87, G01N 21/62, G01N 21/31, публ. 21.01.2015). В этом патенте описано устройство, состоящее из нескольких источников света с различными длинами волн, направляемых через оптоволоконные вводы на ограненный алмаз (драгоценный камень), который размещен на специальном месте для измерения. Один из источников излучает в широкополосном диапазоне спектра от 300 нм до 520 нм длины волны и позволяет измерять поглощение в исследуемом образце, а также измеряет фотолюминесценцию и фосфоресценцию. Подводящее возбуждающее излучение отражается от исследуемого ограненного алмаза и через оптоволоконный вывод поступает и подвергается анализу в спектрометре. Спектрометр, в свою очередь, соединен с процессором (компьютером и/или другими устройствами, программируемыми обработку данных). Второй источник света выполнен с возможностью излучения света с длиной волны 660 нм и соединен со вторым спектрометром, который регистрирует излучение света с длиной волны от 700 до 800 нм, в том числе и комбинационное рассеяние света, соединенным с тем же процессором.

Следует отметить, что устройство предусматривает использование любое количество источников света с возможностью излучать свет с различной длиной волны излучения или диапазона длин волн по сравнению с другими источниками света. Подобным образом спектрометры могут быть использованы в любом количестве, причем, каждый отдельный спектрометр соответствует отдельному источнику света. Устройство по предлагаемому техническому решению позволяет измерять и определять, является ли исследуемый образец алмазом или симулянт, является ли природным алмазом или синтетическим, подвергался ли исследуемый алмаз обработке с целью улучшения цвета, а также определять его размеры и производить сортировку.

К недостаткам этого устройства следует отнести недостаточно высокую точность идентификации, вызванную тем, что устройство не регистрирует наиболее характерный и часто встречаемый в природных алмазах азотный N3 дефект, который на настоящий момент является гарантированным признаком природного происхождения алмаза, что может привести к ложной диагностике природных и синтетических алмазов. Также недостатками являются большие габариты устройства вследствие использования как минимум двух спектрометров, недостаточная мобильность и невозможность тестирования ограненных алмазов (бриллиантов) в ювелирных изделиях.

Задачей предлагаемого технического решения является исключение указанных выше недостатков и разработка компактного мобильного устройства, обеспечивающего эффективную идентификацию неограненных алмазов и ограненных алмазов (бриллиантов).

Разрабатываемое устройство для идентификации алмаза основано на методах определения: комбинационное рассеяние света, фотолюминесценция, поглощение света в ультрафиолетовом диапазоне и фосфоресценция.

Техническое решение поставленной задачи осуществляют следующим образом: устройство для идентификации алмаза снабжено источниками света с различными длинами волн, которые направляют свет на исследуемый образец алмаза, размещенный на специальном месте для измерения в виде столика с двумя отверстиями и снабженным отражающей сферой. Отверстие в центре столика выполнено для ввода с помощью юстируемого зеркала сфокусированного лазерного луча от лазера с длиной волны 405 нм. Второе отверстие выполнено для ввода света от дейтериевой лампы, который через отражающую поверхность отражающей сферы направляют на образец алмаза.

Отраженный от поверхности образца алмаза лазерный луч и прошедший через образец свет от дейтериевой лампы через центральное отверстие попадает в оптоволоконный вывод, который соединяет исследуемый образец алмаза со спектрометром, работающем в диапазоне от 200 до 650 нм. Для обработки и анализа данных, полученных в ходе идентификации, используют микропроцессорный контроллер, соединенный со спектрометром. В оптоволоконном выводе размещены коллимирующие линзы, между которыми размещают нотч-фильтр, закрепленный на перемещающем механизме ввода-вывода. При измерении, проводимом с источником лазерного излучения с длиной волны 405 нм нотч-фильтр вводят между коллимирующими линзами с помощью механизма ввода-вывода. А при измерениях, производимых с помощью дейтериевой лампы, нотч-фильтр выводят.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами Фиг. 1 и Фиг. 2.

На Фиг. 1 представлена оптическая схема устройства для идентификации образца алмаза при получении спектров комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции при облучении лазером с длиной волны 405 нм. На Фиг. 1 показано 1- образец алмаза, который установлен на столике 2 и накрыт отражающей сферой 11. В столике 2 выполнены два отверстия. Центральное отверстие в столике 2 предназначено для ввода сфокусированного лазерного луча 8 от лазера 7, направляемого с помощью юстируемого зеркала 9. Так же центральное отверстие в столике 2 служит для вывода отраженного от образца алмаза 1 лазерного луча 8 и света дейтериевой лампы 10, отраженного от отражающей сферы 11 и прошедшего через образец алмаза 2, которые, в свою очередь, попадают в оптоволокно 3. Оптоволокно 3 соединено со спектрометром 6, и состоит из двух частей, между которых располагают коллимирующие линзы 4, образующие параллельные лучи. Так как интенсивное лазерное излучение способно помешать корректной работе спектрометра 6, то для его уменьшения между коллимирующими линзами 4 вводят нотч-фильтр 5 с помощью устройства ввода-вывода нотч-фильтра 12. Нотч-фильтр 5 уменьшает интенсивность лазерного излучения с длиной волны 405 нм.

На Фиг. 2 представлена оптическая схема устройства для идентификации образца алмаза при облучении дейтериевой лампой 10. Нотч-фильтр 5 выведен из оптического пути с помощью устройства ввода-вывода нотч-фильтра 12.

Устройство для идентификации алмаза работает следующим образом.

На первом этапе образец алмаза 1 помещают на столик 2 с отверстиями (Фиг. 1). В качестве источника излучения для получения спектра комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции используют лазер 7 с длиной волны излучения 405 нм. Сфокусированный лазерный луч 8 направляют с помощью юстируемого зеркала 9 на образец алмаза 1. Отраженный от образца алмаза 1 свет направляют в спектрометр 6 через приемное оптоволокно 3. В промежуток между коллимирующими линзами 4 вводят нотч-фильтр 5, который закреплен на перемещающем механизме ввода-вывода фильтра 12. Введение нотч-фильтра 5 уменьшает интенсивность рассеянного лазерного излучения от образца на длине волны 405 нм, чтобы лазерное излучение не мешало корректной работе спектрометра 6. Одновременно получаемый спектр комбинационного рассеяния и фотолюминесценции фиксируют в спектрометре 6, который соединен с микропроцессорным контроллером, производящим анализ и интерпретацию данных. При наличие характерной линии алмаза в области 428 нм в спектре комбинационного рассеяния света микропроцессорный контролер фиксирует, что исследуемый образец является алмазом. Данные о том, является ли алмаз природным, или искусственным, получают на основании анализа микропроцессорным контроллером спектра фотолюминесценции. При наличие спектральной линии в спектре фотолюминесценции образца алмаза на длине волны 415 нм, вызванной электронными переходами в N3 центре, который характерен только для природных алмазов, микропроцессорный контроллер фиксирует, что исследуемый образец алмаза имеет природное происхождение.

На втором этапе исследуют образец алмаза путем пропускания через него излучения дейтериевой лампы 10. Для этого излучение от дейтериевой лампы 10 направляют на внутреннюю поверхность отражающей сферы 11 (Фиг. 2). Свет от дейтериевой лампы, отраженный от поверхности отражающей сферы и прошедший через образец алмаза, через оптоволокно 3 направляют в спектрометр 6, при этом предварительно нотч-фильтр 5 убирают с помощью механизма ввода-вывода этого фильтра 12. Соединенное со спектрометром 6 микропроцессорный контроллер проводит анализ полученных данных. Наличие поглощения в диапазоне длин волн, меньших 225 нм, характерное для алмазов типа IIа по физической классификации, приводит к тому, что данный образец алмаза микропроцессорный контроллер относит к алмазу типа IIа. При отсутствии полосы 272 нм в спектре пропускания образца алмаза микропроцессорный контроллер относит данный образец алмаза к природным алмазом типа IaA, IаВ или IaAB.

На третьем этапе исследуют фосфоресценцию образца алмаза. Для этого излучение от дейтериевой лампы 10 направляют на внутреннюю поверхность отражающей сферы 11 (Фиг. 2), предварительно убрав нотч-фильтр 5 с помощью перемещающего механизма ввода-вывода 12. После облучения алмаза дейтериевую 10 лампу выключают. Излучение, вызванное фосфоресценцией образца алмаза через приемное оптоволокно 3 направляется в спектрометр 6, который соединен со микропроцессорным контроллером, выполняющим анализ данных. Если анализ данных показывает наличие фосфоресценции, то в этом случае микропроцессорный контроллер фиксирует, что исследуемый образец алмаза имеет искусственное происхождение.

Анализ полученных результатов измерений микропроцессорным контроллером позволяет, на основе имеющихся в нем алгоритмов, идентифицировать исследуемый образец. Если исследуемый образец не является алмазом, то на электронном экране микропроцессорного контроллера появляется надпись «СИМУЛЯНТ». Если же исследуемый образец является природным алмазом, то на экране появляется надпись: «ПРИРОДНЫЙ АЛМАЗ». Если исследуемый образец не природный алмаз, то появляется надпись «СИНТЕТИЧЕСКИЙ АЛМАЗ». Если же природный алмаз был подвергнут термобарической обработке с целью улучшения цвета, то появится надпись «НЕОБХОДИМЫ ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ» и этот образец алмаза должен быть исследован более детально.

Для подтверждения работоспособности прибора была проведена идентификация ограненных и неограненных образцов алмаза, как синтетических, так и природных, и не алмазных образцов. Применение устройства позволило отличить алмазные образцы от не алмазных, а природные алмазы - от синтетических.

Предлагаемое устройство позволяет эффективно идентифицировать алмазы, как ограненные, так и неограненные. Примененные конструктивные решения позволяют сделать устройство компактным, мобильным и доступным при обеспечении эффективной идентификации образцов алмазов на основе использования приведенной комбинации методов исследования. Устройство позволяет определять: является ли исследуемый образец алмазом или его имитатором, природный этот алмаз или синтетический, и требуютсяли более детальные исследования, чтобы определить подвергался ли исследуемый алмаз термобарической обработке.